硫化機液壓故障診斷與管理系統設計

張 裕

（棗莊科技職業學院，山東棗莊 277599）

0 引言

在大型化工生產中，硫化機液壓系統的承載較大，且工作條件復雜多變，長期工作后發生油液泄漏、機械損傷、控制精度下降、油路故障等安全問題的概率較高[1]。目前，國內對于液壓系統的性能管控側重于承載與控制元件的加工精度、性能測試和運行調試等方面，以及功能管理和故障預測等功能的研發投入相對較少[2]，導致系統穩定性存在一定的不足[3]。隨著自動化控制技術的快速發展和應用，為大型液壓工程的信息化管理提供了有利條件。通過對硫化機液壓系統不同工作參數的實時監測，能夠有效降低研發周期和維護成本。傳統的液壓診斷主要通過人工局部檢測發現故障源，該方法僅適用于簡單液壓故障或機械損傷的判定，并且對工作人員的經驗水平有著較高要求。基于完備的液壓故障診斷與管理系統，能夠對多數據進行大規模的分析和判定，實現高效的故障點定位和診斷[4]。在硫化機液壓故障診斷與管理系統的支持下，工作人員能夠直接針對硫化機工作參數的監測結果進行綜合分析與評定，結合系統內的算法程序，直接輸出故障的類型和位置，有效提高硫化機故障診斷的準確率和效率。

1 系統總體設計

1.1 功能與技術參數設計

本文研究的硫化機液壓系統組成如圖1 所示，包括動力單元、控制單元和液壓泵站。為此，設計故障診斷與管理系統內的信號監測與采集對象包括：各液壓油箱的溫度、回路油壓、液壓缸各腔壓力、輸入/輸出流量等。根據傳感器特點，可將信號類型分為20 通道的電流信號和10 通道的電壓信號。為確保系統精度，要求電流和電壓信號的采樣精度不低于12 bit。壓力參數的檢測誤差不超過3%，流量參數的檢測誤差不超過2%。

圖1 硫化機液壓系統的組成

由于硫化機液壓系統內的機械故障主要基于振動信號進行診斷，因此設置加速度傳感信號進行分段采樣，其中靜態低頻采樣頻率設置為20 kHz，動態高頻采樣頻率設置為100 kHz，滿足不同頻段的激勵測試范圍。對于噪聲信號的檢測，設置采樣頻率為1.5 kHz。在信號的無線傳輸方面，建立局域網數據平臺，搭建現場實時網絡工作臺站30 個，確保在不低于100 Mbps 傳輸速率的前提下穩定覆蓋3 km 以上，且具有良好的抗干擾能力。對于故障信號的后處理，故障診斷與管理系統能夠針對數據特點進行多功能統計與輸出，包括瞬態時域特性、頻率特性、相頻功率譜、相位差頻譜、相干函數等。

1.2 系統框架設計

隨著系統工作時長的推進，被測數據的類型和容量將明顯增多。針對硫化機液壓系統的功能特點和工作環境，設計故障診斷與管理系統的功能框架如圖2 所示，包括信號調理[5]、數據采集、數據分析、信號監測等，可通過遠程客戶端實現液壓系統工作狀態的實時監測和故障診斷。

圖2 故障診斷與管理系統的功能框架

在硫化機液壓系統的故障診斷與管理系統中，信號調理模塊是實現參數檢測和傳輸的關鍵功能模塊，能夠準確檢測并接收毫安（mA）和毫伏（mV）精度級別的參數。傳感器的電信號，將在隔離電路中傳輸至接收端，避免相近信號之間的干擾[6]，降低電氣設備因電位差引起的誤差問題。在控制模塊中，壓力、溫度、流量、流速、振動等信號對應不同的端口，結合回路隔離功能的保護，各個儀表的數顯均能確保可靠性。控制模塊的核心元件為工控機，其具備EMC 功能，可有效地解決灰塵、溫變、電磁干擾等問題。控制模塊與數據采集模塊之間采用電磁隔離方案[7]，相比光耦隔離方式，該隔離方式能夠明顯降低溫漂誤差，提升響應線性度。在供電方面，在隔離電路中設置獨立電源，避免電路載荷過大導致精度降低。

1.3 故障診斷流程設計

故障診斷要求具備實時、在線、標準化和智能化特征，其數據源主要為瞬態被測信號。以硫化機液壓系統中液壓缸的異常壓力信號為例，利用故障診斷與管理系統能夠得出液壓缸的雙腔壓力隨時間變化規律（圖3），可結合數據庫內的代碼源對故障字典進行搜索和連接，顯示出引發該類型故障的原因集，結合故障呈現的物理現象，由工作人員確立具體的故障方位和形式，同時系統給出有效的解決方案。

圖3 液壓缸的瞬態雙腔壓力變化

根據硫化機液壓系統的故障源特點，設計故障診斷流程（圖4）。知識庫的更新和自主獲取是提升診斷效果的關鍵，具體設計內容包括數據庫構建和升級、知識庫的自檢查、參數數據的標準化處理、自診斷系統反饋、關鍵數據的查詢和后處理等。數據的安全性是衡量服務器性能的關鍵指標之一，因此，需要設定有效的權限級別，便于不同工作人員對相關數據進行查詢、記錄和修正。在權限范圍之內的功能應具備兼容性，從而避免了多重軟件的安裝，功能程序由權限自動分配。在故障診斷處理方面，系統主要通過程序內的虛擬設備與數據參數之間的函數建立映射關系，從而計算得出故障因子[8]。在整個管理流程的實現過程中，推理模塊是數據處理關鍵，其具備自擴充能力，能夠在基本數據程序的范疇內與主機之間實時交互，不斷更新數據表，實現數據庫系統的高效管理。

圖4 系統故障診斷流程

2 系統關鍵模塊設計

2.1 交互管理模塊

硫化機液壓系統的故障診斷與管理系統應具備良好的人機交互性能，為此，本文提出一種專家管理方式，即基于模糊推理將工程案例以知識鏈接庫的形式導入上位機，以交互算法進行專項數據程序的演練，并對故障或異常信號做出準確判斷，與技術人員的操作流程一致。導入的數據信息具有分層屬性，能夠針對交互指令進行響應并進行演化和推理[9]。知識庫和綜合數據庫包含多重功能程序和計算機語言，在標準化的解釋機制和推理機制作用下，不同硬件之間能夠實現良好的協作和兼容效果。在該系統中，交互管理模塊的功能具有框架特性，數據代碼的解析是故障問題表征、功能指令執行、數據傳輸等工作任務的關鍵。因此，系統設定單獨的規則信息集，映射要求基于液壓系統的外部承載特點進行分類，不同功能模塊具有對象隱藏屬性，從而排除一些不可能事件。

2.2 數據采集與分析模塊

數據采集與分析模塊能夠為故障診斷模塊提供關鍵的數據信息，因此需要確保功能的可靠性和穩定性。系統內數據與分析模塊的工作原理如圖5 所示，主要包括溫度、壓力、流量等信號的采集和對應的各類特征分析。其中，通道、采樣頻率等參數的調節需要根據實際工況進行選擇，從而避免部分參數的量程漂移問題。

圖5 數據采集與分析模塊工作原理

在數據分析方面，為確保故障診斷的充分性，設置以下類型的參數動態特性為固有分析內容，包括時域特性分析、頻譜轉換、數理統計、失真校對和功率譜分析等。以硫化機液壓系統內溫度參數的信號采集與分析為例，通過軟件內集成的算法，可得出瞬態溫度的18 種后處理參數，包括極值、時變最小周期、信噪比、均方根等。根據硬件功能可知，硫化機液壓系統的工作參數能夠極短時間獲取并完成傳輸，數據容量較大，使得分析效率明顯低于采集效率。為提升數據分析能力，同步信號的采集與分析速度，在數據分析之前增加雙while 循環，通過列隊緩沖方式快速地進入分流狀態，保證數據的次序性，避免數據處理過程中發生沖突，增強復合信號的有效性。

液壓缸作為硫化機液壓系統的關鍵承載部件，發生故障的概率較高，因此被測參數較為集中。在長時間的工作運行中，液壓故障診斷與管理系統內將積累大量的歷史數據。同時，由于傳感器采用分布式布局，短時間內將生成大量的外圍信息，導致傳輸速率無法同步，甚至影響存儲通道的讀寫速度[10]。為此，在數據采集與分析模塊中，分別設置列數據和行數據參數，并基于數值轉換模型將一維數組變換為字符串矩陣，有效改善存儲和讀寫效率。

2.3 網絡管理模塊

目前，基于網絡管理的服務框架主要有C/S 與B/S 兩種。針對硫化機以及整個化工生產線的工作特點，本文根據實際需要選擇了C/S 模式，在上位機配制匹配的軟件程序，能夠更為快速地完成傳輸數據的處理，延遲非常低。針對數據采集模塊中各路傳感器的硬件布局特點，設計故障診斷與管理系統中的網絡管理方案（圖6），不同類型的數據信號對應不同編號的數據庫，同步存儲在云端的中心服務器。當管理人員需要查看或查詢相關參數信息時，可在程序段設置查詢條件，滿足時間段的關鍵詞請求，并可實現中心服務器的遠程訪問。當在網絡端執行相關數據的刪減操作時，需要中心服務器返回時間結果，在反饋數據支持下完成數據顯示和轉換處理。為進一步改善人機交互效果，設置3 種網絡查詢模式：內嵌模式、快照模式和數據模式。其中，內嵌模式可用于軟件或瀏覽器的遠程查看；快照模式則是靜態圖形，無法編輯或修改，但便于查看和打印；數據模式能夠調取詳細的后臺數據，顯示特性響應曲線。

圖6 網絡管理方案

3 結論

硫化機是化工生產和制造環節不可或缺的設備。硫化機液壓系統的維護和維修成本較高，而且采用傳統的管理手段難以在短時間定位故障點。本文提出的一種故障診斷與管理系統，能夠有效地解決該問題。通過信號調理模塊和數據采集與分析模塊，實現高精度參數的檢測、傳輸、轉換和存儲，結合電磁隔離方案，有效地降低干擾因素的影響，提升數據的穩定性。在軟件控制方面，基于LabVIEW 開發信號監測流程圖，通過集成的算法得出不同類型的數據評價方式，為故障診斷提供關鍵的依據。此外，由于被測參數和數據容量較大，網絡管理平臺選用C/S 模式，能夠獲得更高的數據處理效率，實現更好的同步性。